Tout deviens “sans-fil” de nos jours. Évidement c’est beaucoup plus pratique que d’avoir un câble à brancher chaque fois que l’on désire utiliser un appareil. Qui n’a jamais maudit ces prises qui ne s’emboîtent pas bien ou qu’il faut retourner dans tous les sens pour les connecter lorsqu’on est pressé ?

Ça fait maintenant quelques années que le wifi, le bluetooth et d’autres systèmes sans-fil nous simplifient la vie. Il restait pourtant un obstacle majeur qui est en train d’être levé : l’alimentation électrique sans-fil !

MAJ le 14/08/16 : Alliance for Wireless Power (A4WP) et Power Matters Alliance (PMA) ont fusionné sous le nom AirFuel Alliance.

On voit progressivement apparaître des systèmes d’alimentation sans-fil principalement pour recharger les smartphones. Comme par exemple chez le célèbre fournisseur de meubles IKEA.

Histoire

L’induction magnétique fut découverte par Faraday en 1831. En 1888, Hertz réalise le premier transmetteur radio, par la suite amélioré par Marconi.  Nikola Tesla fut un pionnier dans la transmission d’énergie à distance et réalisa de nombreuses expériences entre 1891 et 1904 [Source wikipedia]. Il utilisa des bobines accordées, les célèbres bobines Tesla, et le principe de résonance magnétique entre-elles pour transmettre de la puissance. Depuis, ces technologies ont toujours suscité un grand intérêt. La brosse à dent électrique Braun à recharge par induction sortie dans les années 1990 et aujourd’hui connue sous la marque Oral-B est un grand succès. Cependant depuis le début des années 2000, on voit un réel engouement marqué par une augmentation du nombre de brevets liés à la transmission d’énergie sans-fil et on voit des applications concrètes arriver sur le marché (exemple de smartphone nativement équipé de recharge par induction). Aujourd’hui se joue la guerre des standards pour savoir qu’elle solution technique sera largement adoptée par les fabricant pour les objets de notre quotidien.

WiPower

La société WiPower a été développée à l’université de Floride en 2004 quand son fondateur Ryan Tseng explore le couplage inductif en champs magnétique proche et développe un transmetteur dont la puissance est dynamiquement ajustée à la demande des récepteurs. Le système fonctionne en champs proche, lors du contact entre un émetteur et les objets à recharger, et le rendement annoncé peut atteindre 60 à 90% [Source wikipedia, nytimes]. Depuis les travaux ont été repris par la société Qualcomm qui clamait en 2013 un rechargement à une distance de 45 millimètres du dispositif autorisant une plus grande liberté de positionnement. L’émetteur pourra être placé sous une table, dans un bureau ou dans un mur. Qualcomm et la technologie WiPower fait parti du consortium A4WP (vue plus bas) [Source silicon et cnet avec vidéo].

WiTricity

En 2006 au MIT, le professeur Marin Soljačić a étudié et publié des résultats théoriques sur le transfert d’énergie sans-fil par des bobines accordées à une fréquence de l’ordre de 10 MHz. Une bobine d’émission est excitée par un signal à une fréquence précise, génère un champs magnétique qui sera capté par une autre bobine, précisément accordée pour la bonne fréquence, et convertira cette énergie magnétique en énergie électrique. Il s’agit d’un coupage inductif résonant. Cette technologie a donné naissance au terme WiTricity et l’entreprise du même nom dès 2007. Dans cette présentation de 2009 à la conférence TED, Eric Glider présente le principe de Witricity est fait une démonstration. Une démonstration du principe a été réalisée en 2007 et consistait à alimenter une ampoule de 60 W sans-fils à 2,5 m de distance avec des bobines accordées de 60 cm de diamètre résonant à une fréquence de 9,9 MHz [Source site WiTricity]. La compagnie précise qu’il s’agit d’un mode de transfert d’énergie non irradiant reposant sur l’énergie magnétique en champs proche. Les champs magnétiques interagiraient peu avec les organismes biologiques et WiTricity resterait dans les standards de sécurité et les réglementations en vigueur [source WiTricity/FAQs].

Powermat

La société Powermat a été fondée en 2006 par Ran Poliakine. La technologie repose sur un couplage inductif entre une bobine émettrice et une réceptrice.  Une communication s’effectue de la bobine réceptrice vers l’émettrice afin de transmettre certaines information telles qu’un identifiant unique pour chaque appareil. Powermat a créé un certain nombre de partenariat avec de grandes sociétés pour fournir des base de rechargement, assurer la maintenance et vendre des services associés reposant sur l’identification des usagers. En 2011 et par le biais de la société Arconas, des aéroports sont équipés de bornes de charge. Un accord avec General Motors en 2011 vise a intégrer la technologie dans les voitures électriques Chevrolet Volt dès 2013.

Powermat et Procter & Gamble se sont associé et ont créé la marque Duracell Powermat qui fabrique tout un ensemble de produits grand public. Le groupe PMA (voir plus bas) a ensuite été créé pour généraliser leur standard et des accords avec différentes compagnies ont permis d’intégrer des bornes de charges dans les cafés Starbucks, les Jay-Z’s 40/40 Club de NYC, le Madison Square Garden et certains restaurants McDonalds à New York et en Europe.

Les standards

Wireless Power Consortium (WPC)

En 2008, plusieurs fabricants (Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, et Sony) ont créé le Wireless Power Consortium (WPC) avec pour objectif de créer un standard de transmission d’énergie sans-fil. Le WPC a développé le standard Qi (prononcé “Tchi”) qui permet d’alimenter et de recharger des appareils mobiles lorsqu’ils sont posés sur un socle spécial par un procédé d’induction magnétique, soit un couplage inductif, éventuellement résonant dans les dernières versions des spécifications. Sur le site de la WPC, on peut voir que ce standard se limite aux puissances de moins de 5 Watts, par soucis d’être totalement inoffensif et sans danger par rapport à l’environnement, mais ce qui est suffisant pour la plupart des petits appareils mobiles du quotidien. L’objectif est principalement la recharge des batteries de ces appareils qui doivent se trouver à une très faible distance du socle de recharge (quelques millimètres). En plus du transfert d’énergie, le système met en œuvre une communication entre la base de recharge et l’appareil afin d’identifier ce dernier, de configurer la transmission d’énergie et de s’assurer qu’il ne s’agit pas de pertes dans un objet parasite proche en vérifiant l’énergie réellement transmise (PMOD, Parasitic Metal Object Detect, et FOD, Foreign Objetc Detection). En effet, si des objets métalliques parasites absorbent une partie de l’énergie transmise, ils pourraient s’échauffer en raisons des courants de Foucault et pourrait éventuellement présenter un risque de brûlure ou de départ d’incendie. Ainsi le standard Qi est plus sécurisé en terme d’énergie maximale rayonnée et de contrôle de la destination de l’énergie émise. Le système comprend les moyens de transfert d’énergie par induction mais également une communication entre émetteur et récepteur pour certifier l’appareil et ajuster la puissance selon les besoins, comme on peut le voir sur la figure ci-dessous.

Le standard est passé de la version WPC 1.0 en 2009, limitée aux petites puissances de moins de 5 Watts, à la version WPC 1.1 en 2011 qui supporte des puissances moyennes jusqu’à 15 Watts, plus de transmetteurs possibles, une meilleure détection des objets étrangers et la possibilité d’alimenter un transmetteur avec un chargeur USB. En 2015, les applications visées par une alimentation sans-fil semblent concerner la cuisine. Dans ce domaine d’application, plusieurs sociétés et consortiums envisagent de l’électroménager sans-fil avec des puissance plus élevée jusqu’au kilowatt. Récemment, la société PowerbyProxi a rejoint la WPC en apportant sons savoir-faire et un important portefeuille de brevets sur leur technologie par couplage inductif résonant, afin d’ajouter un standard Qi résonant (source news de la WPC du 19 février 2015).

La norme Qi est déjà présente dans la plupart des smartphones récents et intégrée dans des meubles IKEA.

Power Matters Alliance (PMA)

L’organisation PMA fondée par Powermat Technologies et Procter & Gamble en 2012, comprends aujourd’hui plusieurs grands acteurs comme Duracell, AT&T, Starbucks et Flextronics. PMA promeut son standard de transmission d’énergie sans-fil basé sur un couplage inductif, un système de communication entre émetteur et récepteur d’énergie et une gestion de l’énergie décentralisée dans le Cloud [Source cnet, wikipedia].

The Alliance For Wireless Power (A4WP)

Le consortium A4WP a été fondé en 2012 et s’appuie sur la technologie Rezence capable de transmettre jusqu’à 50 Watts à une distance de 5 centimètres. La fréquence du champs magnétique est de 6,78 MHz et le dispositif est dimensionné pour alimenter 8 appareils simultanément. Il comprends un système de communication basé sur le Bluetooth Smart pour le contrôle de la puissance et l’identification d’appareils autorisés. Ce consortium comprends notamment les compagnies Broadcom, Gill Electronics, Integrated Device Technology (IDT), Intel, Qualcomm, Samsung Electronics, Samsung Electro-mechanics et Witricity.

AirFuel Alliance

Fusion de A4WP et de PMA, AirFuel Alliance rassemble leurs deux technologies, recharge sans-fil inductive et résonante, et promouvoir ses standards de recharge sans-fil par la mise en commun des partenaires industriels.

AirFuel Alliance souhaite rendre la recharge des téléphones mobiles simple, “charging drop-and-go” que l’on pourrait interpréter par “déposer/jeter (sur le chargeur/zone) et partir”. Ce groupement envisage de créer des zones de recharges intelligentes, “smart charging zones”, dans les endroits les plus propices à l’utilisation du smartphone et dans lesquelles on est susceptible de passer ou de s’arrêter : maison, travail, transports, lieux publics tels que cafés/magasins.

Leurs marchés ciblés sont le grand public, mais aussi l’industrie, le médical et le militaire.

La guerre des standards

Depuis le début des années 2000, on observe des tentatives pour se libérer des câbles d’alimentations et plusieurs sociétés se sont créées avec différentes approches et leurs lots de brevets. Néanmoins, toutes s’orientent sur un couplage inductif résonant. Les différences se voient dans le protocole, la communication entre émetteur et récepteurs, le contrôle soit de la puissance émise ou de la puissance reçue. Plus récemment, des standards tentent d’émerger et de s’imposer pour permettre de combiner les systèmes de recharge sans-fil des différents acteurs sur le marché. Le standard Qi semble plus répandu que ses deux rivaux PMA et Rezence. Cependant, la WPC date de 2008 alors que la PMA et l’A4WP datent de 2012.

Le 6 janvier 2015, PMA et A4WP ont annoncé leur fusion pour accélérer l’adoption de leur standard de recharge sans-fil. “La capacité de choisir la bonne technologie avec l’ajout de l’intelligence, la puissance et l’étendue de leurs partenaires, associé à l’engagement vers l’excellence, permettra aux utilisateurs de plus rapidement expérimenter le vrai potentiel que l’énergie sans-fila à offrir aujourd’hui, demain et dans le futur” à déclarer Ron Restnick, président de PMA. En mars 2015, le groupement des deux consortiums à été baptisé AirFuel Alliance et permet d’opposer 195 grandes compagnies membres de ce consortium à la WPC.

Les standards des deux grandes alliances rassemblent la plupart des grands fabricants d’appareils électroniques directement concernés pour intégrer une technologie de recharge sans-fil dans leurs futurs produits, mais aussi les grandes enseignes de restauration, distribution ou de mobilier pour la promouvoir et la mettre à disposition des usagers.

Sur le schéma ci-dessous, un état des lieux des standards et des acteurs les plus importants est représenté. Pour le moment, beaucoup de grandes compagnies adhèrent à plusieurs consortium, ne sachant lequel saura tirer son épingle du jeu dans les années à venir. Les fabricants tentent parfois de développer des solutions pouvant être compatibles avec plusieurs standards afin de favoriser l’adoption de leurs produits par les consommateurs pour des raisons pratiques.

Et après ?

Le monde de demain sera sans-fil ! On le disait déjà pour la communication et ça sera d’autant plus vrai lorsqu’il ne sera plus nécessaire de se brancher pour recharger nos appareils mobiles. Les détracteurs y verront un danger de plus pour la santé mais il sera pourtant pratique de toujours avoir ses appareils disponibles ou de pouvoir se passer de piles à la maison !

Un exemple, ce projet Kickstarter voulait proposer des boules de noël lumineuses sans-fil et pilotables via smartphones pour le sapin. Malheureusement il a été annulé par son créateur.

Dans la cuisine de demain, l’électroménager pourrait ne plus avoir besoin de câbles électriques ! Avec la nouvelle norme Qi et le couplage inductif résonant désormais pris en charge, les mixeurs, robots de cuisine et machine à café sur nos plans de travail pourrait être directement alimentés sans câble selon John Perzow, responsable développement des marchés à la WPC. Plutôt que d’avoir un champs magnétique résonant dans tout le volume de la pièce, ce qui serait une perte d’énergie, la WPC envisage plutôt de proposer des emplacements spécifiques sur le plan de travail, toujours selon John Perzow. De nombreux grands industriels tels que LG, Samsung, Panasonic et Philips se penchent sur la question et des fabricants de meubles comme IKEA envisagent d’intégrer de tels systèmes dans leurs meubles de cuisine. La concurrence s’intéresse également à ce domaine et la Power Matters Alliance a déjà présenté un tel concept au CES de 2009.

Outre les appareils mobiles qui se rechargeraient tout seul chez nous ou dans certains lieux publics qui offriraient le service (Mc Donalds, Starbucks, …) et pour lesquels nous n’aurions plus à nous inquiéter du niveau de batterie, on peut imaginer qu’il suffirait de sortir nos instruments de cuisine des placards sans se soucier de ces disgracieuses prises électriques ou des fils qui encombrent et trainent sur le plan de travail. On peut aussi imaginer que tous les petits appareils tels que les horloges et réveils, les sondes de température, les télécommandes, etc… pourront se passer de piles, ce qui serait un bon point pour l’écologie !